JP6573370B2

JP6573370B2 - 白金ナノ粒子含有組成物の製造方法及び白金ナノ粒子の製造方法

Info

Publication number: JP6573370B2
Application number: JP2015114261A
Authority: JP
Inventors: 田中　慎一; 慎一田中
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2035-06-04
Also published as: JP2017002336A

Description

本発明は、蛍光プローブとして使用できる白金ナノ粒子含有組成物、白金ナノ粒子、及びそれらの製造方法に関するものである。

ナノマテリアル、光エレクトロニクス、医療等の様々な分野において、ナノ粒子（金属ナノ粒子等）を用いた蛍光プローブの開発が進められている（例えば、特許文献１，２参照）。
特に、医療分野においては特定の標的分子、例えば癌細胞と反応又は結合することによって、高感度に癌細胞を検出することが可能であるので、研究や治療に蛍光プローブは欠かせない。

特許文献１に記載の発明は、Ｓｉ塩化物等をジメチルホルムアミド含有溶媒中で加熱還流して製造するものである。
この製造方法によると、危険性の高い試薬を用いる必要がないだけではなく後処理の必要もなく、さらには粒子径の揃ったナノ粒子蛍光体を大量生産可能である。

また、特許文献２に記載の発明は、金属化合物を、タンパク質を含むとともにｐＨ調整された水溶液中で還元して、蛍光体組成物を製造するものである。
この製造方法によると、金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物を、製造過程で危険性の高い試薬を用いることなく、大量生産可能である。
また、制御された異なる粒子径を持つ種々の金属ナノ粒子を含む蛍光体組成物を幅広く製造可能である。

特許第５４５２０９８号公報特開２０１２−２４６４４９号公報

ここで、医療分野で用いられる蛍光プローブに関しては、当然のことながら生体への毒性が無いことが必須であるが、特許文献１に記載の発明は、生体が生存できない有機溶媒中での合成手法であるので、医療分野の蛍光プローブとしては適していない。
また、生体内には可視光を吸収する多様な分子が存在しているため、４００〜５７０ｎｍ程度の波長の光は皮膚表面や生体内の分子によって吸収されてしまい、生体の深部からこの波長の蛍光シグナルを観察できないので、癌の診断や幹細胞治療などの高精細な医療診断技術を確立するためには、生体組織に吸収・散乱されることなく生体の深部からでも観察可能な近赤外領域（６００〜８５０ｎｍ）に発光波長を有する蛍光プローブでなければならないが、特許文献１に記載の発明は近赤外領域に蛍光特性を持つ蛍光体ではない。

また、特許文献２に記載されるような蛍光タンパク質は、数分から１時間程度観察に使用すると退色、つまり蛍光物質としての特性を失ってしまう。仮に、これらの蛍光物質を最も退色しない条件(４℃の暗所)で保管しても１，２ヶ月程度で光学特性(明るさ(輝度))が半分以下になる。
すなわち、この蛍光プローブを長期間の経過観察が必要な癌の転移の検査や診断に利用することは困難である。

そこで、本発明の目的とするところは、近赤外領域に蛍光特性を有しつつ生体に対する毒性が低く、しかも長期間退色しない白金ナノ粒子含有組成物の製造方法及び白金ナノ粒子の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の白金ナノ粒子含有組成物（４０）の製造方法は、氷冷下において白金イオン（２０）と第五乃至第七世代のポリアミドアミンデンドリマー（１０）とを反応させ前記白金イオン（２０）と前記ポリアミドアミンデンドリマー（１０）との間で化学結合を形成させることで、前記ポリアミドアミンデンドリマー（１０）内に前記白金イオン（２０）を取り込ませる結合工程（１００）と、前記白金イオン（２０）を取り込んだポリアミドアミンデンドリマー（１０）をフルクトースで還元することで、前記ポリアミドアミンデンドリマー（１０）内において白金ナノ粒子（３０）を合成する還元工程（２００）と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の白金ナノ粒子含有組成物（４０）の製造方法は、前記結合工程（１００）における反応時間を１〜８日としたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の白金ナノ粒子含有組成物（４０）の製造方法は、前記還元工程（２００）を７０〜９０℃の温度下で行うことを特徴とする。

また、請求項４に記載の白金ナノ粒子含有組成物（４０）の製造方法は、前記還元工程（２００）において前記フルクトースを前記白金イオン（２０）に対してモル比を基準として２０〜１００倍の割合で加えることを特徴とする。

また、請求項５に記載の白金ナノ粒子含有組成物（４０）の製造方法は、前記結合工程（１００）において前記白金イオン（２０）を前記ポリアミドアミンデンドリマー（１０）に対してモル比を基準として９０〜３６０倍の割合で加えることを特徴とする。

また、請求項６に記載の前記還元工程（２００）で得られた前記白金ナノ粒子（３０）を含有する前記ポリアミドアミンデンドリマー（１０）から前記白金ナノ粒子（３０）を単離及び精製することを特徴とする白金ナノ粒子（３０）の製造方法は、請求項１乃至５に記載の前記還元工程（２００）で得られた前記白金ナノ粒子（３０）を含有する前記ポリアミドアミンデンドリマー（１０）から前記白金ナノ粒子（３０）を単離及び精製することを特徴とする。

ここで、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に掲載された対応要素または対応事項を示す。

本発明によれば、以下の効果がある。
（１）近赤外領域において蛍光特性を有している
白金ナノ粒子含有組成物や白金ナノ粒子（以下、白金ナノ粒子等）は近赤外領域において蛍光特性を有するので、放出された光が生体組織に吸収・散乱され難い。したがって、生体の深部（数ｍｍ〜数１０ｃｍ）からでも白金ナノ粒子の蛍光を１μｍ以下の分解能かつ高感度で観察可能である。よって、ＭＲＩ等の従来の技術に比べて癌の正確な位置を１細胞レベルで特定できるので、初期癌や癌転移の診断が可能となる。

また、本発明に係る白金ナノ粒子を太陽電池（ソーラーパネル）にも応用可能である。太陽光には可視光が約５０％、近赤外光が約３０％含まれているが、本発明に係る白金ナノ粒子等を太陽電池に使用すると、既存の太陽電池がほとんど利用できていない近赤外光も発電に利用できるようになるので、発電効率を飛躍的に向上させることができる。
（２）安全性が高い
また、弱い還元剤であるフルクトースを用いて温和な７０〜９０℃の温度下で還元しているので、形成された白金ナノ粒子等は細胞毒性が低い。特に、本発明に係る白金ナノ粒子はそのサイズが１．１ｎｍ〜１．５ｎｍと小さいので、生体内に長期間内在させても細胞内へ蓄積され難く、金属の蓄積による細胞毒性が極めて低い。

また、合成に使用した白金は安定で酸化され難いので、生体内での酸化反応によるイオン化及び生成した金属イオンによる生体毒性の発生のリスクが他の金属材料（鉄、コバルト、パラジウム、ニッケル等）による金属ナノ粒子に比べて低い。
このように毒性が低いということは、生体のみならず環境への影響も小さいということでもある。よって、太陽電池等に本発明に係る白金ナノ粒子等を使用した場合に、故障・破損等による光学物質が漏洩しても環境や人体への影響が小さい。
さらには、化学的に安定しているので、白金ナノ粒子等を光学物質として半永久的に使用可能である。

（３）高光安定性を有する
長時間観察に使用しても退色せずその輝度（明るさ）が維持され、また白金ナノ粒子等を室温で半年以上保管してもその光学特性は維持できているので、経過観察が必要な検査や診断に使用可能である。例えば、癌の転移の検査等に有益である。他には、幹細胞を標識し、生体組織へ移植後に長期間経過観察することで、生体内での幹細胞の挙動（移動）や分化・増殖・再生などの過程を評価することができることから、幹細胞による生体組織の再生や治療の過程を可視化・診断できる。

なお、本発明の白金ナノ粒子含有組成物の製造方法及び白金ナノ粒子の製造方法のように、白金イオンと第五乃至第七世代のポリアミドアミンデンドリマーとを反応させて蛍光プローブを製造する点は、上述した特許文献１及び２には全く記載されていない。

本発明の実施形態に係る白金ナノ粒子含有組成物の製造方法を示す概略図である。本発明の実施形態に係る第五世代のポリアミドアミンデンドリマーを用いて合成した白金ナノ粒子の３Ｄ発光スペクトルを示す図である。第四世代のポリアミドアミンデンドリマーを用いて合成した白金ナノ粒子の３Ｄ発光スペクトルを示す図である。図１の結合工程における反応時間を変更した場合の白金ナノ粒子の発光スペクトルを示す図である。図１の結合工程におけるポリアミドアミンデンドリマーと白金イオンの混合割合を変更した場合の白金ナノ粒子の発光スペクトルを示す図である。図１の還元工程におけるフルクトースと白金イオンの混合割合を変更した場合の白金ナノ粒子の発光スペクトルを示す図である。

（実施形態）
図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る白金ナノ粒子３０の製造方法を説明する。
この白金ナノ粒子３０の製造方法は、結合工程１００と、還元工程２００と、単離工程を備える。

結合工程１００では、ガラス製のスクリュー管（１０ｍＬ）に超純水５ｍＬ加えてから、氷冷下（４℃）で鋳型分子である第五世代のポリアミドアミンデンドリマー１０（ＰＡＭＡＭＧ５-OH）０．２５μｍｏｌへ、ヘキサクロロ白金(ＩＶ)酸六水和物（Ｈ₂ＰｔＣｌ₆・６Ｈ₂Ｏ）（０．５Ｍ）を９０μＬ加え、そのまま５日間反応させた。
これにより、図１（ｂ）に示したように白金イオン２０とポリアミドアミンデンドリマー１０との間で化学結合が形成され、ポリアミドアミンデンドリマー１０のデンドロン（側鎖）の分子サイズの空孔１１に白金イオン２０が取り込まれる。
このように低温下で反応させることで白金イオン２０がポリアミドアミンデンドリマー１０内により多く取り込まれるので、還元工程２００における合成効率が高くなる。

次に還元工程２００では、１Ｍの濃度で調整したフルクトース（Ｄ−Ｆｒｕｃｔｏｓｅ）を白金イオン２０に対してモル比で５０倍（５０：１）となるように加え、８０〜９０℃の温度下で２週間還元反応させた。
これにより、図１（ｃ）に示したように、ポリアミドアミンデンドリマー１０内において白金ナノ粒子３０が合成される。

最後に単離工程では、白金ナノ粒子３０の合成後、超遠心分離機及び近赤外蛍光検出器を備えた高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）を使用して不純物を取り除き、ポリアミドアミンデンドリマー１０から白金ナノ粒子３０を単離及び精製を行う。

このように生成した白金ナノ粒子３０に対して励起光として５３５ｎｍの波長の光を照射したとき、図２に示すように発光波長が６００ｎｍの赤色蛍光（近赤外光）を観測できた。
また、本実施形態に係る白金ナノ粒子３０の粒子径は１．１〜１．５ｎｍ、量子収率が０．５％であることもわかった。

なお、第一乃至第三世代のポリアミドアミンデンドリマー１０を使用して白金ナノ粒子３０を生成した場合、この白金ナノ粒子３０は蛍光性を示さなかった。
一方、第四世代のポリアミドアミンデンドリマー１０を使用して白金ナノ粒子３０を生成した場合、図３に示すように緑色蛍光（発光波長：５２０ｎｍ）の白金ナノ粒子３０が生成されていることがわかる。

一般的に、金属ナノ粒子の粒子半径が小さくなるほど、発光波長は青色（短波長）側へシフトすること、また世代の大きなデンドリマーを使用することで金属ナノ粒子の粒子径を大きくすることができること、及び以上の結果より、第五世代以上のポリアミドアミンデンドリマー１０を使用して生成された白金ナノ粒子３０が赤色蛍光性を有することがわかる。
ここで、従来の赤く光る金属ナノ粒子の粒子径は２．３ｎｍ程度であることが知られているが、本実施形態に係る白金ナノ粒子３０はこれの約半分の大きさであることもわかった。

なお、癌細胞に対して白金ナノ粒子３０が蛍光プローブとして有用であることが確認でき、かつこの蛍光プローブとして機能させるために必要な白金ナノ粒子３０の濃度において、白金ナノ粒子３０は生体に使用可能な程度に十分毒性が低いことも確認できた。

以上のように製造された白金ナノ粒子３０によれば、近赤外領域において蛍光特性を有するので、放出された光が生体組織に吸収・散乱され難い。したがって、生体の深部（数ｍｍ〜数１０ｃｍ）からでも白金ナノ粒子３０の蛍光を１μｍ以下の分解能かつ高感度で観察可能である。よって、ＭＲＩ等の従来の技術に比べて癌の正確な位置を１細胞レベルで特定できるので、初期癌や癌転移の診断が可能となる。

また、弱い還元剤であるフルクトースを用いて温和な８０〜９０℃の温度下で還元しているので、形成された白金ナノ粒子３０等は細胞毒性が低い。特に、本発明に係る白金ナノ粒子３０はそのサイズが１．１ｎｍ〜１．５ｎｍと小さいので、生体内に長期間内在させても細胞内へ蓄積され難く、金属の蓄積による細胞毒性が極めて低い。
また、合成に使用した白金は安定で酸化され難いので、生体内での酸化反応によるイオン化及び生成した金属イオンによる生体毒性の発生のリスクが他の金属材料（鉄、コバルト、パラジウム、ニッケル等）による金属ナノ粒子に比べて低い。

さらに、長時間観察に使用しても退色せずその輝度（明るさ）が維持され、また白金ナノ粒子３０等を室温で半年以上保管してもその光学特性は維持できているので、経過観察が必要な検査や診断に使用可能である。例えば、癌の転移の検査等に有益である。他には、幹細胞を標識し、生体組織へ移植後に長期間経過観察することで、生体内での幹細胞の挙動（移動）や分化・増殖・再生などの過程を評価することができることから、幹細胞による生体組織の再生や治療の過程を可視化・診断できる。

（比較例）
次に、白金ナノ粒子３０の製造時の各条件を振り、その条件により生成された白金ナノ粒子３０の蛍光性を評価した。
まず、結合工程１００における反応時間を１日刻みで１〜８日の評価を行った。その結果が図４である。
これにより、還元工程２００における合成効率は、結合工程１００における反応時間が５〜６日でピークを迎えることがわかる。

次に、結合工程１００におけるポリアミドアミンデンドリマー１０と白金イオン２０の割合の影響について評価した。
ここでは、白金イオン２０をポリアミドアミンデンドリマー１０に対して９０〜３６０倍の割合（モル比）で加え、その結果を図５に示した。
ここでは、１８０倍が最適であることがわかった。

次に、還元工程２００においてフルクトースを白金イオン２０に対して２０〜１００倍の割合で加え、その結果を図６に示した。
ここでは、５０倍が最適であることがわかった。

なお、実施形態において、ポリアミドアミンデンドリマー１０から白金ナノ粒子３０を単離して赤色蛍光性を確認したが、ポリアミドアミンデンドリマー１０に包含された状態の白金ナノ粒子３０であっても白金ナノ粒子３０は赤色蛍光性を示す。
すなわち、ポリアミドアミンデンドリマー１０は嵩高い分子であるので生体分子の動的挙動を妨げることが懸念され、生体観察用の蛍光プローブとしては単離した白金ナノ粒子３０が適しているが、例えば太陽電池用のように工業的に使用する場合等では本実施形態に係る白金ナノ粒子含有組成物４０のまま使用することができる。
工業用の使途は太陽電池増感剤に限られず、蛍光塗料、サインディスプレイ、金属イオンセンサー等、様々なものが考えられる。

また、白金イオン２０源としてヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸六水和物（Ｈ₂ＰｔＣｌ₆・６Ｈ₂Ｏ）を用いたが、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸カリウムであってもよい。

また、還元工程２００を８０〜９０℃の温度下で行ったが、これに限られるものではなく、７０〜９０℃であればよい。

１０ポリアミドアミンデンドリマー
１１空孔
２０白金イオン
３０白金ナノ粒子
４０白金ナノ粒子含有組成物
１００結合工程
２００還元工程

Claims

氷冷下において白金イオンと第五乃至第七世代のポリアミドアミンデンドリマーとを反応させ前記白金イオンと前記ポリアミドアミンデンドリマーとの間で化学結合を形成させることで、前記ポリアミドアミンデンドリマー内に前記白金イオンを取り込ませる結合工程と、
前記白金イオンを取り込んだポリアミドアミンデンドリマーをフルクトースで還元することで、前記ポリアミドアミンデンドリマー内において白金ナノ粒子を合成する還元工程と、を備えることを特徴とする白金ナノ粒子含有組成物の製造方法。
前記結合工程における反応時間を１〜８日としたことを特徴とする請求項１に記載の白金ナノ粒子含有組成物の製造方法。
前記還元工程を７０〜９０℃の温度下で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の白金ナノ粒子含有組成物の製造方法。
前記還元工程において前記フルクトースを前記白金イオンに対してモル比を基準として２０〜１００倍の割合で加えることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の白金ナノ粒子含有組成物の製造方法。
前記結合工程において前記白金イオンを前記ポリアミドアミンデンドリマーに対してモル比を基準として９０〜３６０倍の割合で加えることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の白金ナノ粒子含有組成物の製造方法。
請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の前記還元工程で得られた前記白金ナノ粒子を含有する前記ポリアミドアミンデンドリマーから前記白金ナノ粒子を単離及び精製することを特徴とする白金ナノ粒子の製造方法。